陣列處理器系統芯片的發(fā)展

　　應用演變的數學(xué)技術(shù)的統一

　　計算科學(xué)是源于數學(xué)思維與工程思維的“數學(xué)技術(shù)”，它改變了人們的思維方式。芯片集成度按照摩爾預言速度上升的結果，在高性能計算、網(wǎng)絡(luò )化計算與嵌入式計算的應用演變中，數學(xué)技術(shù)促進(jìn)了計算機的新發(fā)展。高性能計算機主要是通過(guò)模擬幫助人類(lèi)了解世界與創(chuàng )造世界的，有地球模擬機、藍色風(fēng)暴、宇宙計算機、密碼破譯機與武器模擬機等。這些計算機的名稱(chēng)就說(shuō)明了它們的應用演變，都需要通過(guò)數學(xué)技術(shù)建立很復雜的數學(xué)模型，以及實(shí)驗或觀(guān)測的數據庫。模擬的核心就是建立一個(gè)與真實(shí)或者虛擬系統相關(guān)的數學(xué)模型，通過(guò)數學(xué)模型與數據庫探討對高性能計算機體系結構的影響。網(wǎng)絡(luò )化計算的通信作用是非常成功的，從根本上改變了世界的信息基礎設施?，F在，隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，使計算機網(wǎng)絡(luò )的作用已從通信作用，發(fā)展到資源共享的服務(wù)作用，叫做網(wǎng)絡(luò )計算(Net-Centric Computing)/網(wǎng)格計算(Grid Computing)與網(wǎng)絡(luò )存儲。在高性能并行計算與大容量存儲系統的支持下，云計算與SaaS(Software as a Service, Storage as a Service，軟件即服務(wù)，存儲即服務(wù))或HaaS( Hardware as a Service，硬件即服務(wù))等數學(xué)技術(shù)使下一代數據中心將扮演“數據電廠(chǎng)”與“數據銀行”的服務(wù)角色。

　　嵌入式計算是一種計算技術(shù)與物理世界相結合的服務(wù)模式，有人叫做具體化與物理化應用，模擬了人類(lèi)與物理世界交互的形式，成了有傳感器(模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與感覺(jué)等)與執行機構(模擬人的四肢)的計算機，并通過(guò)隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，讓工業(yè)機器能像人一樣自主工作。雖然現在人工智能的數學(xué)技術(shù)只使機器人有了邏輯思維能力、部分形象思維能力，基本沒(méi)有創(chuàng )造思維能力，但為機器人研究帶來(lái)了有創(chuàng )見(jiàn)的方法。從形狀來(lái)說(shuō)，有人形機器人與非人形機器人。而美國國防部的變形機器人就是要通過(guò)隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，使機器人具有自組裝能力，可保證機器人能成功地登上星球表面。從功能實(shí)現方法來(lái)說(shuō)，有人工方法與自然的仿生方法。人工方法的機器人有手術(shù)機器人、自動(dòng)駕駛機器人等。仿生方法的機器人有氣流發(fā)音的機器人、重力行走機器人、化學(xué)機器人、神經(jīng)元機器人、情感機器人、模擬生物進(jìn)化過(guò)程的機器人、以及分子機器人等，仿生方法使隨應用演變的數學(xué)技術(shù)的計算日益自然化。計算技術(shù)的飛速發(fā)展，也體現在編程語(yǔ)言的演變上，從最早的Basic到Algol，再到Fortran，以及現在的接近匯編語(yǔ)言的C語(yǔ)言。數學(xué)技術(shù)最后是通過(guò)匯編語(yǔ)言映射到計算機上完成計算的。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是程序質(zhì)量高，缺點(diǎn)是可讀性差，沒(méi)有兼容性，是不統一的。因此，APU系統芯片的ISA不是用助記憶符的匯編語(yǔ)言描述的，而是采用了一種面向數學(xué)技術(shù)也面向指令定義的映射語(yǔ)言描述ISA的，簡(jiǎn)稱(chēng)M語(yǔ)言(Mapping/Middle Language)。數學(xué)技術(shù)是統一到映射語(yǔ)言上，以提高程序的復用性的。

　　硅基芯片的制造技術(shù)的統一

　　量子計算與生物計算還處于探索階段，現在的計算機是采用硅基芯片制造技術(shù)實(shí)現的。人們預計硅基芯片的制造技術(shù)到2016年將接近其發(fā)展極限，需要尋找新的技術(shù)突破。例如，通過(guò)擴大芯片面積是提高芯片集成度的一種新途徑，就是圓片規模集成(WSI，Wafer Scale Integration)技術(shù)。又例如，混合集成電路是一種小型化、高性能和高可靠的互連封裝手段，國內將其稱(chēng)為二次集成技術(shù)。1993年美國佐治亞理工學(xué)院提出了將SoC芯片、MEMS芯片、以及無(wú)源元件二次集成在一起的SoP(System on Package，系統級封裝)的概念。按摩爾定律發(fā)展的IC芯片僅占一個(gè)系統的10%的體積，而SoP則解決了系統中90%的體積。特別是2007年Intel公司率先具備了45nm硅基芯片的生產(chǎn)能力，使半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了“材料推動(dòng)革命”的時(shí)代。集成度高達近20億晶體管的32nm芯片接近實(shí)用。

　　為了解決深亞微米技術(shù)的“紅墻”問(wèn)題與嵌入式應用的小型化問(wèn)題，硅基芯片的TSV三維集成制造技術(shù)得到了發(fā)展。IBM、Intel與Samsung等都采用了TSV(Through-Silicon-Via，硅穿孔封裝)的三維集成技術(shù)。據IBM稱(chēng)，TSV技術(shù)能使芯片數據所需要的傳輸距離縮短1000倍，連線(xiàn)數目增加100倍，功耗低達20%。IBM將把TSV技術(shù)應用到無(wú)線(xiàn)通信芯片、電源處理器、Blue Gene超級計算機芯片和高帶寬內存中。我國2006年全國科學(xué)大會(huì )提出的“十六專(zhuān)項”體現了芯片設計、制造與應用的產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)。在“十六專(zhuān)項”的戰略任務(wù)的牽引下，有望使我國的芯片技術(shù)跟上“摩爾預言”的發(fā)展步伐。制造技術(shù)的統一就是指三維集成的TSV技術(shù)的統一，以實(shí)現嵌入式計算機小型化與解決深亞微米的Red brick Wall(紅墻)問(wèn)題;也是提高我國芯片制造能力的必經(jīng)之路。從設計上講，APU系統芯片的陣列體系結構，以及傳感器、顯示器與存儲器等芯片都是陣列的，是正好適合于TSV技術(shù)的應用的。